龚天炜 周凌逸 赵宏章 邱清岚

摘  要：21世纪以来化石燃料日益减少，传统能源日益匮乏。随着互联网、大数据以及云计算等技术的不断发展，将清洁能源与可再生能源融合起来的新型综合能源服务模式也在日益增多。综合能源系统（integrated energy system，IES）以多能互补和能量阶梯利用为核心，将大大提高系统的能量利用率，实现多种能流互补优化。综合能源服务不仅对提升传统能源的利用效率有巨大帮助，而且对实现可再生能源规模化开发具有重要支撑作用。文章讲解了综合能源服务模式的实例分析，以及研究优化未来综合能源的运行模式结构。

关键词：综合能源系统（IES）;多能互补;优化运行;模式选择

中图分类号：F426.61       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）25-0022-06

Abstract： Since the 21st century， fossil fuels are decreasing day by day， and traditional energy sources are increasingly scarce. With the continuous development of Internet， big data and cloud computing technologies， new integrated energy service models that integrate clean energy and renewable energy are also increasing. Integrated energy system （IES） takes multi-energy complementarity and energy ladder utilization as the core， which will greatly improve the energy efficiency of the system and realize the complementary optimization of various energy flows. Integrated energy services not only help to improve the efficiency of traditional energy use， but also play an important supporting role in the large-scale development of renewable energy. This paper explains the case analysis of the comprehensive energy service model， and studies and optimizes the operation mode structure of the comprehensive energy in the future.

Keywords： integrated energy system （IES）; multi-energy complementary; optimal operation; mode selection

1 概述

能源是人類赖以生存和发展的基础，充分利用可再生能源、提高综合能源利用效率，是综合能源研究的热点。人们日益增长的美好生活需求促使能源行业的转变，从传统能源系统的高能耗与低效率转变为高能源效率的新型能源系统模式，人们习惯将这种新型模式称为“综合能源服务模式”。因此通过对电、气、热等综合能源系统的合理规划和运行优化控制，构建综合能源系统（integrated energy system，IES）是绿色环保、低碳发展的必然趋势，也是顺应能源互联网的必然产物。综合能源服务系统实现了信息流、能源流与业务流的融合，通过不同形式能源的综合配置进而改变未来的能源管理模式，实现能源利用效率低的高效性。

2 综合能源服务的研究现状

2.1 国外综合能源服务的研究现状

国外的综合能源服务模式概念提出的较早。参考资料显示，早在20世纪初，德国莱茵集团已经开展电力和天然气交互业务，共同供应能源，这成为了综合能源服务的雏形。1999年，欧洲第五框架计划将能源协同优化的研究放在重要的战略位置，随后的欧洲第六和第七框架计划不断完善了综合能源服务模式的相关概念，并进行了大量的理论研究和实践探索。在21世纪初，美国正式提出综合能源系统发展相关计划，旨在提高清洁能源的利用率。日本因为自身能源储存量较少，能源依赖进口，因此综合能源服务系统成为解决问题的方法之一。世界各国经过较长时间的发展，其综合能源服务模式在整体上已经处于较为成熟的阶段。

2.2 国内综合能源服务的研究现状

2.2.1 总体概况

我国综合能源服务技术尚处于初期阶段，市场发展潜力巨大，目前的主要任务是促使作为电能供应商的传统电网公司向综合能源商转变，并向国外较为成熟的综合能源系统借鉴，取其精华去其糟粕，把综合能源服务业务更好地推向市场。对于处于综合能源服务技术起步阶段的我国来说，最适合发展的业务主要有5类，分别为：（1）能源捆绑销售;（2）绿色节能服务;（3）综合电力销售;（4）个性定制化服务;（5）综合需求侧响应。

2.2.2 相关政策支持

2014年，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议上提出能源革命战略方向，即“四个革命，一个合作”。在不断扩大各种能源形态的供给渠道和总量，为能源资产和能源资源转化为能源资本打下基础的同时，也要加速进行能源转型，为绿色发展提供新的能源形态和新型能源利用方式。

2015年，李克强总理在政府工作报告上提出要制定“互联网+”行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据和物联网等与现代制造业结合，这给综合能源服务模式提供了发展方向和广阔的平台。

2016年，国家发布《十三五规划纲要》，将积极构建智慧能源系统，建设“源-网-荷-储”协调发展、集成互补的能源互联网作为一项重要任务。

2017年，国家能源局正式公布23个能源互补集成优化示范工程，首批55个“互联网+”智慧能源互联网示范项目。

2019年，国家能源局开展“互联网+”智慧能源（能源互联网）示范项目验收工作。

3 综合能源服务的发展趋势

3.1 互联网+综合能源服务

近年来“互联网+”已经渗透到社会各行各业中来了，2015年起，我国就已经将“互联网+综合能源服务”放在重要的战略地位。可以利用APP、小程序、官方网站等途径将用户需求传输到终端，综合能源服务公司根据数据聚焦用户需求，制定出符合用户生活需求的方案，提供个性化、差异化的智能用电服务，形成线上与线下，硬件与软件相结合的服务模式。

3.2 新技术的应用

随着科技的提升，大数据、物联网、云计算，以及人工智能等新技术逐渐走入人们的视野。根据国外综合能源服务技术发展趋势，大数据在未来是必不可少的综合能源服务模式技术之一，国内综合能源服务企业开始向成熟的大型企业转型，一些资金雄厚的企业已经开始大力研发相关新型技术，在新技术与能源深度融合的过程中推动能源消费模式向智能化转变，从而衍生出更多新的增值服务。

在能源互联网推动思维方式转变的形势下，传统的社会资源高度集中会被打破，通过催生新的商业模式和投资机会，逐步向以用户需求为中心转变。同时能源互联网可以再广域能源协调方面作规划，构建多种能源优化互补的能源供应体系，在促进能源系统扁平化、运用大数据和云计算分析用户数据后，以电子商务、互联网支付及金融服务等先进技术为基础的综合能源系统建设能够快速发展，从而形成智慧应用的新型能源消费市场。

3.3 多元化合作

随着国家出台了一系列文件鼓励新型能源的开发与利用，推动能源供应结构向多元化发展、促进新业态发展、催生新型商业模式，将会出现出更多新业务、新模式、新合作的综合能源服务市场。未来综合能源技术会趋向于能源多元化、服务多元化以及用能方式多元化发展，通过信息产业和能源产业的融合，实现各类型分布式可再生电源、电网的协调优化控制，使得各种能源形式优化配置、互联互通，产生更多的消费商业合作模式。

国内综合能源服务技术中，合作共享的生态系统尤为重要，通过运用战略合作、项目合资以及混改等方式，在建设运维、企业用电技术服务、分布式光伏建设、电力设施建设运维、能源资源综合利用、企业能效提升等一系列综合能源服务项目开展合作，联手传统能源企业、新能源企业、互联网企业等主体开拓市场，全面满足逐步提高的多元化用能需求，打通产业链上下游，实现优势互补、利益共享、风险共担，形成成熟的综合能源服务体系。

4 典型用户的用能特点

4.1 高校类建筑用能特点

高校主要能耗建筑为教学实验楼、学生公寓以及后勤服务保障设施（如变配电室、泵站、换热站）等。校园能源结构主要为热力、电力、天然气等，其中热力消耗占总能耗的 60% 以上。高校建筑的能耗特点为一个有机联系的整体，对于校园整体的能耗特点分析应从校园整体综合考虑，而不是只考虑于单体建筑的能源统计。且大部分高校每年的1～2月和7～8月为寒暑假时间，其能耗量较开学期间显著减少，这是高校建筑能耗最为普遍性的特点。

以华东某高校为例，学校行政办公楼、教学楼占总用电的28.73%，且教学用电占16.73%，此类建筑会配备有电脑、打印机、投影仪等多媒体用电设备，以及供暖供冷设备、照明设备和电热水炉等基础用电设备。相关能耗趋势主要与人员数量、工作时间和用电设备使用情况有密切联系，很大程度上用电量与空调用电的变化趋势一致，且随着生活水平的提高，现代高校空调设备的安装率逐渐增加，必定会带来较大的能耗增长。

学校科研建筑用电占总用电的18.34%，而高校中存在理、工、医、农、文等多专业多学科，因此不同科研楼建筑之间的能耗差别很大，例如文科科研楼能耗较低，主要用于基本教学办公设备;理工科科研楼能耗较高，主要用于不同专业的实验室高功率耗电设备。

高校学生宿舍耗电占总用电的23.56%，用电情况主要包括照明耗电、供冷供暖的能耗。单个学生宿舍建筑能耗并不高，但是数目较大，因此占据总能耗比例依旧很大，且随着经济发展，学校提供的住宿环境会不断提高，将提供不同设备为学生服务，不断增加能耗。

4.2 办公类建筑用能特点

办公类建筑以电能消耗为主，空调系统、照明系统以及办公设备构成能耗三大主体，空调能耗所占比重最大，而大多數办公类建筑，特别是旧建筑的三大能耗主体对于设计、运行管理方面有不合理之处，具有极大的能源模式结构优化潜力。

以夏热冬暖地区为例，选取34栋政府机关办公建筑，其中采用分体式空调系统的建筑为22栋，其余为集中式空调系统。由于该地区全年空调季节长，因此空调系统能耗较大，占据总能耗38.55%，而照明系统属于基础用能系统，占据总能耗20.16%，且照明系统能耗也与建筑内人员行为关系紧密，节能意识提高与节能改造的成本较低，投资回收期较短，可行性高。此外，办公设备能耗占比为19.43%，该部分能耗通过设备统计与运行时间进行估算，以相同地区为例，选取25栋非政府机关办公建筑，其中采用集中式空调系统的建筑为23栋，其余采用分体式空调系统。对于非政府机关办公建筑的各项能耗特点进行分析，空调系统能耗比例占33.46%，照明系统的能耗比例占10.38%，由于非政府办公建筑的其他用能能耗增加，导致空调系统以及照明系统比重减少。对于大型非政府办公建筑，其动力系统的能耗会更大，因此需要提高动力系统设备效率。

4.3 医院用能特点

医院用能相较于其他一般公共建筑的用能差别很大，需要保证正常救治工作的有效展开，因此医院用能的特殊性体现在要求能源具有持续性的基础上，保证能源的有效性，即供能质量。同时现代医院不断引进新型医疗设备，投入使用各类高科技医疗设备，在提升医疗能力的同时大量增加医院能耗，造成一定程度的能源紧张问题。

医院全年供热量大，用户侧用热参数差异大，其中热水供应系统占总能耗17%左右。现代医院建筑供冷供热能耗占总能耗的33.33%，其中一类是数量较多的普通病房、科室以及诊室，这些普通科室仅需要季节性舒适空调系统;另一类是数量较少的高要求科室，例如无菌与湿度控制的手术室、无菌病房等，需要全年持续控制温度、湿度，并提供低于7℃的冷冻水。

我国大型综合医院常采用传统冷热源设备，以冷水机组与锅炉组合，冷热源集中供给各科室。以上海医院为例，普通科室、门急诊均是季节性空调系统，春、秋过渡季节大楼中央空调一般停止使用，而使用传统冷热源配置方法为其他关键部门提供全年空调系统，导致用热参数差异增加，且使系统供热平衡性变差，最终在能耗传输与配置中损失大量能源，增加能耗。

5 扬州地区综合能源服务模式的分析及建议

5.1 扬州大学扬子津校区综合能源服务模式建议

5.1.1 扬子津校区运行模式分析

对于扬子津校区的主要用电区域，对负荷的性质、种类、容量进行调查，对校区的现有的以及潜在的发电形式进行调查，开发重要负荷点的负荷监测系统，得到精确的负荷曲线;调查统计扬州地区的光伏和风力发电的发电效率;在此能源统计的基础上，结合扬子津校区具有开展研究所需的一些必要硬件设施，比如风力和光伏发电单元，冰储冷装置等，确立综合能源的配置形式，结合潮流分析研究多能源的选址优化。

扬子津综合能源服务模式，考虑使用以风光发电、储能技术、冰蓄冷技术为主的模式，同时考虑电锅炉加热、热泵加热和制冷、冰蓄冷、蓄能装置的约束情况，并考虑电力系统与需求侧响应。

5.1.2 风电、光电系统互补模式

太阳能与风能在时间上和季节上具有一定的互补性：白天阳光充足、风力较小，夜晚无光照、风力较强;夏季太阳光照强而风力较小，冬季太阳光照弱而风力较大。在扬子津地区通过太阳能与风能的合理分配，构成混合型能源发电系统，并根据自然资源条件，对风光互补系统的容量进行合理配置。

风光互补方案，利用太阳能与风能的互补性，提高系统可再生能源发电的总体效益。但是以风电、光电为代表的新能源电力输出功率随着天气变化而时刻变化，具有随机性和不可调控性，为了避免仅通过储能装置解决并网后引起的系统调峰、调频以及弃风、弃光等问题，在制定调度计划时需要灵活地与其他能源形式进行互补，将具有不确定性因素的电力转换为其他多种能源形式，实现系统供电的安全、经济与电力平衡。

5.1.3 电力系统与热力系统交互模式

对于电力系统而言，在用电低谷期间，可将风电、光电多余部分转换为热能进行存储，减少风光损耗;在用电高峰期间，利用蓄热装置为热负荷提供电能，一定程度缓解当前时段电力消耗，解决调峰问题。对热力系统而言，考虑到不同季节差异和气象条件区别，校园对能源形式的需求各不相同，通过从综合电力系统中获得热能、冷气，减少了采暖和供冷的能源消耗。对于整体综合能源系统，将提高能源的利用效率，同时最大程度减少能源损耗。

在采暖期情形下，综合能源系统主要考虑的以电供热技术和节能技术包括：蓄热式电锅炉系统和热泵系统。

本部分是以电为核心的热电系统交互，考虑环保性和经济性最优化，基于可再生能源技术、节能技术以及电能替代技术的典型设备模式，通过系统运行约束进行最大程度提升能源利用效率。

5.1.4 电力系统与储能系统交互模式

电力转换的另一个极为重要的部分，是将储能系统作为主要调节电源之一，用以缓解调频调峰问题，进而提高电能质量。不同形式的储能响应特性适合于不同场合，根据电力系统对不同响应时间的旋转备用的需求，除了与热力系统的交互以外，需要转换成不同形式的能量进行存储，满足电力系统不同场合的需求，充分发挥储能的作用。

在考虑蓄能装置时，应包含基于双工况冰蓄冷空调的优化模型，结合与热力系统的交互，根据校园实际设备的配置情况，改变各模型参数，进行对比优化调度策略，减小优化控制误差，进而降低系统的运行成本。

5.1.5 电力系统与需求侧响应联动

用户的消费行为，包括选择何种能源作为终端消费，消费能源的时段等，对电力系统乃至整个能源系统的平衡会产生重要影响。用户需求侧行为控制主要分为3种：中断负荷、变换能源以及负荷转移。

中断负荷是指停止使用电力，扬子津为校园区，在夜晚可进行电量控制，例如某时间点开始熄灯，控制用电情况;变换能源是指改变能源消费形式，采用油或天然气等能源替换电力，因此风光互补与电能形成更为平衡的供能情况;负荷转移是指选择在负荷低谷时进行生产或消费活动，扬子津校区每個寝室可以增加数据分析设备，在每月用电情况的大数据分析下，提供优化用电方案，同时进行不同寝室的账单比较，一定程度引导学生绿色用电。

中断负荷以及改变能源消费形式可以降低负荷的高峰，负荷转移通过改变能源使用时间可以起到削峰填谷的作用。因此，联合需求侧响应，改变用户固有的用电模式，能够在一定程度上减少某时段的用电负荷。

5.2 扬州瘦西湖温泉酒店综合能源服务模式建议

5.2.1 酒店运行模式分析及建议

通过分析酒店绿色化建设的情况，空调系统考虑以高效率复合式热泵系统供热为主要手段，实行以电代气、以电代煤、以电代汽的改造，以高效率制冷机组或磁悬浮冷水机组替代螺杆式冷水机组进行制冷，同时考虑利用浅层地热能并使用地源热泵节能中央空调系统。考虑对洗浴、洗衣房蒸汽燃气系统进行废热余热回收，在此基础上引入空气能、太阳能进行调节平衡。储能设备夜间谷电时段通过储能变流器 （Power Conversion System，PCS）、电池汇流柜，为自身充电。考虑绿色充电桩配合综合能源系统，为高端电动车提供服务。

5.2.2 能源供应方式分析及建议

我们在星级酒店综合能源系统升级改造中，将采用更多的可再生能源，充分利用酒店的场地、气候条件、日照条件、地质条件等资源，开发利用可再生、清洁的能源，打造高品质的“低碳环保、绿色清洁”的星级酒店能源系统。

可设计采用光伏（太阳能电池）发电系统，将太阳能直接转换为电能，减少节能改造配电增容压力;可设计采用太阳能热水系统，将太阳能转化为热水，提供免费的生活热水。考虑合理开发利用浅层地热能，使用地源热泵节能中央空调系统;可开发中深层地热打造更高品质的温泉沐浴、创建地热温泉酒店特色品牌。考虑采用热泵及复合热泵系统，利用空气中蕴藏的能量实现制冷、采暖、生活热水的供应。

在酒店生产经营过程中，洗浴、餐饮、洗衣房等大量使用高品质热能的场所，考虑对蒸汽、燃气系统进行节能优化及回收废热余热，对空调冷却水系统进行节能优化及回收大量的冷凝热，通过余热回收实现综合利用，提高能源利用率、降低能耗费用。

5.2.3 制冷设备分析及建议

对制冷设备进行节能改造。酒店制冷设备及相关的附属系统在酒店空调制冷中能耗比例达40%左右，而且诸多早期建设的星级酒店多采用常规的螺杆式冷水机组、风冷冷水机组或是溴化锂吸收式制冷机组，存在着设备老化、能效比低、集控程度低、能耗大等问题。

我们考虑以高效率电制冷为主要手段，对高能耗、高运行费用的溴化锂吸收式制冷机组实行替代，对老旧的、能效比低的螺杆式冷水机组实行高效率制冷机组或磁悬浮冷水机组的替代;对大型的、容易部分负荷运行的离心式冷水机组增加变频控制根据末端负荷和水温变化调整输入功率;对多机组的、管理不到位的制冷机组实行智能群控系统并与附属系统统筹优化、集中管理等等。

5.2.4 采暖设备分析及建议

对采暖设备进行节能改造。早期建设的星级酒店多采用外网蒸汽、燃气锅炉、燃油锅炉甚至燃煤锅炉供热，随着能源价格的上涨，不仅费用高、而且污染大，在国家大力治霾的需求下，实施清洁能源替代、提高用能效率，在绿色建筑标准中也大力提倡推广使用热泵等可再生能源技术供暖。

因此考虑结合能耗设备老化程度、能效诊断、气候特征等情况，以高效率热泵供热为主要手段，实施以电代气、以电代煤、以电代汽的改造，定制多能互补的清洁采暖方案，降低供暖成本、提高供暖可靠性。

同时可根据实际用能特点进行诊断，将洗浴、餐饮、洗衣房的间歇性强、温度不一、流量不均的余热进行综合利用，在废热余热回收的基础上引入空气能、太阳能灯可再生能源进行调节平衡，实现更高效率的酒店余热综合利用。

5.2.5 其他设备分析及建议

我国正大力发展新能源汽车，以减少石化能源汽车造成的空气污染、应对石化能源危机。我国处在新能源汽车发展的初级阶段，中高端品牌电动汽车为主流，星级酒店往往是高端电动车出入频繁的场所。

我国目前的充电设施配套尚不完善，通过酒店综合能源系统的升级改造，考虑将绿色充电桩纳入智慧能源系统，为酒店住户提供更方便的配套服务。绿色充电桩反映新时代交通能源变革的方向，满足新生代住客的多元化需求，并进行酒店升级转型。

5.3 医院综合能源服务模式建议

5.3.1 医院运行模式分析及建议

医院的能源结构复杂，种类繁多，基本有冷热、电水、天然气、油煤气、蒸汽以及氮氧等医用气体等类别，其中以电能和天然气为主，辅以柴油发电机。

通过分析医院全天需要持续稳定用能，且用能集中、能耗大，考虑太阳能集热系统进行产能，辅以污水源熱泵、锅炉烟气余热回收装置来降低能耗。对于高能耗的空调系统，采用三联供技术、冰蓄冷技术、智能控制系统、中央空调余热回收系统达到节能目的。同时增加智能检测系统实时监控用水、用电情况，使用能效率和综合效益更高。

5.3.2 能源供应方式分析及建议

在选择冷热源方案时，可考虑进行冷水机组及热泵机组的改造，改造设备应采用较为先进的冷热源机组，如采用冰蓄冷、三联供、太阳能集热等系统。可选择开发利用新能源以及可再生能源，适当选用地源热泵系统，在屋顶安装太阳能集热系统等。

考虑选择安装余热回收装置。因医院全年用水量稳定且废热量大，因此可以对医院安装废水余热回收装置，且目前热回收技术较为成熟，相当于制冷机组增加了一级水冷凝环节，使制冷系统的冷凝效率提高，增加制冷量。此外医院锅炉使用年限较长，燃烧不充分，烟气温度较高，可加装用于生活热水的锅炉烟气余热回收装置等，从根本上降低能耗。所以各机组的综合COP可高达6.5，为医院提供55-60℃的生活热水，极大程度减少运转锅炉所产生的烟气排放量。

5.3.3 绿色能源模式分析及建议

对照明系统进行节能改造。使用高效的发光光源替代原有的低效光源，在节能的同时提高照度、显色度，改善照明环境。节能灯的替换可以在照度相同的情况下节电60%以上。

对空调系统进行节能改造。空调能耗约占医院总能耗的50%左右，空调节能的主要技术措施可以归纳为不同方面：提高制冷机组效率、减少冷负荷、利用自然冷源、使用智能控制系统、减少水系统泵机的电耗、采用自然通风、减少风机电耗、中央空调余热回收等。同时为便于控制医院普通科室和关键科室的环境，需要将医院空调系统进行冷源系统分离供给，再根据不同科室的无菌水平、温湿度要求、洁净度等级、换气次数，以及运行时间将系统适当区分。

对给水系统进行节能改造。可通过未端智能控制、人工检测漏水、智能软件监测等方式进行节水改造。同时，可以在医院洗浴间改造节水器与花洒，结合配额管理用水，通过传感装置以控制水龙头的开合。

6 结束语

随着环境污染的不断加剧与能源的日益枯竭，积极地开发并利用新型能源，促进社会经济与环境的可持续发展已是大势所趋。基于上述情况，本文研究了不同典型个体的用能特点，以系统整体运行经济性最优为目标，耦合多种能源生产方式的综合能源服务模式。在充分考虑新型能源出力不确定性的条件下实现对系统设备模型约束与功率约束的平衡，控制运行风险，提高可再生能源的渗透率，保证系统具有良好的制电、制热、制冷效应，保证调度方案兼顾经济性和可靠性，使系统优化运行。

构建综合能源服务模式，实现电能、光能和热能等多种能源的综合优化利用，是提高能源利用效率的重要途径。根据不同典型建筑用能特点分析，针对各类能源资源的分配模式展开讨论研究，能够探索有效的能源综合优化规划和运行的体系，但仍存在许多的关键技术和核心问题研究工作尚未深入开展，需要进一步完善：

（1）在综合能源系统运行方面，需要更为准确地描述系统的不确定性因素，讨论如何建立各能源系统的仿真模型和优化算法，考虑风电和光电等能源的出力随机性和模糊性，计及负荷波动与元件损耗等不确定因素，探索更有效的解算方法，提高各能源系统的利用效率。

（2）在综合能源系统的规划方面，需要规划更合理的架构体系，考虑新能源并网对电力系统整体的稳定性影响，使综合能源服务系统更贴近真实运行情况的架构体系，并最大限度发挥各能源系统的调节互补作用。

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